Десятилетиями ученые выделяли только два основных типа магнитов.
Первый — привычные ферромагнетики. Именно к ним относятся магниты на холодильнике и множество устройств, которыми люди пользуются каждый день.
Второй тип — антиферромагнетики. Их магнитные свойства скрыты на атомном уровне, но интерес к ним растет из-за возможного применения в продвинутых технологиях.
Но сравнительно недавно исследователи выделили третью категорию — альтермагнетики. Эта идея появилась в последние десять лет. Такие материалы могут сочетать полезные свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков, а значит, потенциально способны привести к более быстрой и энергоэффективной электронике.
Теперь физики из Университета в Буффало предложили новый способ квантового зондирования, который может упростить поиск альтермагнетиков.
Метод описан в Physical Review Letters. Его суть в том, чтобы смотреть, как предполагаемый альтермагнетик влияет на крошечный магнитный дефект внутри расположенного рядом алмаза. Если отслеживать, как магнитный сигнал этого дефекта со временем ослабевает, можно заметить признаки, характерные для альтермагнетизма.
По словам физика Джамира Марино из Университета в Буффало, такой подход может стать первым шагом к новому поколению экспериментов, которые помогут понять, действительно ли тот или иной материал является альтермагнетиком.
Ученый отмечает, что альтермагнетики могут полностью изменить способы передачи информации. Но чтобы подтвердить эту красивую теорию, нужны эксперименты, которые смогут находить такие материалы и проверять, ведут ли они себя так, как предсказывают ученые.
Среди соавторов работы — Либор Шмейкал и Яйро Синова из Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце. Именно они ранее предложили саму концепцию альтермагнетиков.
Синова считает, что новая техника может стать важным инструментом для изучения материалов-кандидатов. Ее преимущество в том, что она способна обнаруживать тонкие направленные магнитные узоры в разных областях материала, почти не нарушая его естественное состояние.
Идея альтермагнетизма появилась в 2019 году, когда исследователи в Майнце столкнулись с поведением, которое не удавалось объяснить ни ферромагнетиками, ни антиферромагнетиками.
Их расчеты показывали, что диоксид рутения не должен иметь общей намагниченности, как антиферромагнетик. Но при воздействии электрического тока он, похоже, вел себя скорее как ферромагнетик.
Именно этот неожиданный результат привел к появлению концепции альтермагнетиков.
В обычных магнитах атомы и спины электронов обычно выстраиваются по сравнительно простым схемам. В ферромагнетиках соседние спины электронов направлены в одну сторону. Поэтому возникает внешнее магнитное поле. Такие спины можно относительно легко переключать, поэтому ферромагнетики широко используют для хранения информации.
Антиферромагнетики устроены иначе. У них соседние спины направлены в противоположные стороны, поэтому их магнитные эффекты взаимно компенсируются. Управлять такой системой сложнее, зато она может переключать состояния гораздо быстрее. Поэтому антиферромагнетики рассматривают как перспективные материалы для будущих технологий обработки информации.
Альтермагнетики находятся где-то посередине. Как и у антиферромагнетиков, их общая намагниченность взаимно компенсируется. Но внутренняя структура атомов заставляет электроны вести себя так, как обычно ожидают от ферромагнетиков.
По словам Марино, благодаря этому альтермагнетики могут сочетать быстрое переключение антиферромагнетиков с некоторыми более удобными для управления электронными свойствами ферромагнетиков.
Исследователи из Майнца и других научных центров уже сообщали об экспериментальных признаках альтермагнетизма в нескольких материалах. Теоретические работы предполагают, что этот класс может быть намного шире: более 200 материалов потенциально могут оказаться альтермагнетиками. Это больше чем вдвое превышает число известных ферромагнитных материалов.
Чтобы помочь находить такие материалы, команда Марино разработала предложенную технику квантового зондирования.
Метод основан на алмазе с микроскопическим магнитным дефектом. Он возникает из-за атома азота и отсутствующего рядом атома углерода. Такие дефекты чрезвычайно чувствительны к магнитной активности поблизости.
В предложенных экспериментах ученые должны поворачивать магнитный спин дефекта в разные стороны и измерять, как быстро он возвращается к более спокойному состоянию. Если в одних направлениях это происходит быстрее, чем в других, такое поведение может выдать сложные спиновые структуры, которые ожидаются у альтермагнетиков.
Важное преимущество метода в том, что он должен меньше вмешиваться в работу изучаемого материала по сравнению со многими существующими способами исследования магнитных свойств.
Марино объясняет: если измерение слишком сильно воздействует на материал, становится труднее понять, видят ли ученые его естественное поведение или эффект, вызванный самим экспериментом.
Пока эта система остается теоретическим предложением. Команда разработала ее с помощью сложных моделей, которые имитируют квантовую динамику. Но для подтверждения метода все еще нужны реальные эксперименты.
Только после проверки станет ясно, сможет ли этот подход надежно находить альтермагнетики.
По словам Марино, эффективный поиск альтермагнитных материалов — важный шаг к тому, чтобы однажды использовать их в электронике. Такие материалы могут сделать передачу информации гораздо эффективнее, а технологии — компактнее и менее энергозатратными.
